（电力电子与电力传动专业论文）基于空间电压矢量法svpwm的三电平逆变器的研究.pdf

调速等进行了验证，并给出了实验波形，同时也证明了系统的可行性。 关键词：高压变频调速，多电平，三电平，空间电压矢量脉宽调制， 二极管筘位，数字信号处理器 r e s e a r c ho nt h r e e - - l e v e li n v e r t e rs y s t e mb a s e do i l s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h ee n e r g yd i s s i p a t i o no fh i g hv o l t a g em o t o ri sr a t h e rm a g n i t u d ei no u r c o u n t r y i fw ea p p l yt h ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y , i t c a nb r i n gc o n s i d e r a b l ev a l u en o to n l yi ne c o n o m yb u ta l s oi ns o c i e t y s i n c e i tn e e d sh u g eo fm o n e ya n da l s ot h et e c h n o l o g yi sq u i t ed i f f i c u l t t o d a yt h e p r o d u c t su s e di n o u rc o u n t r ya r ea l m o s tc o m ef r o ma b r o a d ，w h i c ha r e e x p e n s i v ea n dh a v en op r o p e r t yr i g h t so fo u ro w n s o ，i ti si m p e r a t i v et o d e v e l o pt h es p e e dr e g u l a t i o np r o d u c t so f o u ro w n t h em u l t i - l e v e li n v e r t e r i sac i r c u i tt o p o l o g yp r o p o s e di nt h ee a r l y19 8 0 sp a r t i c u l a r l ya p p l i e di nt h e h i g hv o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o na r e a i th a st h ec h a r a c t e r s o fr e d u c i n gt h es w i t c hs t r e s sa n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fo u t p u tw a v e f o r m t o g e t h e rw i t ht h ea p p e a r a n c eo ft h ee x c e l l e n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) m a k e st h ea p p l i c a t i o no fm u l t i l e v e li n v e r t e rc o m ei n t ob e i n g b a s e do ns t u d y i n go ft h em u l t i l e v e lt e c h n i q u e ，av a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d r e g u l a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ed i o d ec l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e ri s i n t r o d u c e di nt h i st h e s i si nd e t a i l i ti n c l u d e sa c d c a cm a i np o w e rc i r c u i t ， i s o l a t e dd r i v i n gc i r c u i tb yo p t i c a lf i b e ld e l a yt i m ec i r c u i to np o w e r i n g ， s a m p l i n gc i r c u i to fc u r r e n ta n dv o l t a g e ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n de t c o n e m e t h o dt oc o n t r o lt h en e u t r a lp o i n tp o t e n t i a li s p r o p o s e di nt h i s t h e s i s w h i c hc a ns o l v et h en e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lp r o b l e mo w n e db yt h r e e - l e v e l i n v e r t e r b e s i d e s ，ac o n t r o ls y s t e mw i t ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h ec o r ei s i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h es t r a t e g yt oc o n t r o lt h et h r e e l e v e li n v e r t e ri s t h es p a c ev e c t o rp u ls ew i d t hm o d u l a t i o n t h es p e e dr e g u l a t i o no ft h em o t o r l o a di st h ev a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o l l i n gm e t h o d u s i n g m a t l a bs i m u l a t i o nt o o l sc o m p l e t et h ec i r c u i t s y s t e mf u n c t i o n v e r i f i c a t i o n a tl a s t ，t h eh a r d w a r ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g ya r et e s t e db y d o i n ge x p e r i m e n t s as e r i e so fe x p e r i m e n tw a v e f o r m so ft h ew h o l es y s t e m a r eg i v e na n dt h e yv a l i d a t et h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l e k e yw o r d s ：h v - i n v e r t e r , m u l t i - l e v e l ，t h r e e l e v e l ，s v p w m ，n e u t r a l p o i n tc l a m p e d ，d s p , m a t l a b ，s i m u l a t i o n 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储鹕：暾 日期： z p 护罗年岁月莎e t 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密口。 学位论文作者签名：撇 日期：之。罗年多月占日 指导刻币签名彦锄 日期：弘水多月( e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着我国国民经济几十年来的发展，电力能源已同益成为工业、农业、建筑 业等的必需能源，同时也是国民生活必不可少的一种消耗品。但一个不容忽视的 问题是，我国目前缺电还很严重。2 0 0 2 年以来，“电荒 从我国的经济心脏长江三 角洲开始，迅速向珠江三角洲以及全国蔓延。2 0 0 2 年全国有1 2 个省( 市、自治区) 拉闸限电，电力装机缺口达2 0 3 5 万千瓦；2 0 0 3 年又发展到全国2 2 个省市拉闸限 电，电力缺口上涨到4 4 8 5 万千瓦：到2 0 0 4 年上半年，全国已有2 4 个省市拉闸限 电，就连广西、云南、贵州、山西、内蒙古、甘肃、青海、宁夏等经济欠发达的 西部地区也出现“电荒”。虽然2 0 0 5 年这种形势得到了缓解，但“电荒给我们 带来的启示却值得深思。 一方面，我国的经济发展迅猛，而电力的供应并没有超前发展，甚至落后于 经济发展的步伐。另一方面，我国目前的经济发展基本还处在粗放的发展模式， 产业的配置不合理，结构水平低。同样用l 亿千瓦装机能力实现的国内生产总值 ( g d p ) ，美国高达1 1 7 6 0 亿美元，在我国只有3 0 2 5 亿美元，两国1 美元g d p 产 出的电耗相差近四倍。所以，节能势在必行。 1 2 高压变频调速的现状 以耗电第一大户工业为例，在我国各类电机耗能占到了总发电量的6 0 ，因 此变频节能技术一直得到国家的重视【l 】。但值得注意的是，电机耗能中8 0 的为 2 2 0 k w 以下的中小型异步电动机，低压变频调速装置在其中已经广泛使用，并得 到了用户的认可；而实际上，相当多的用电场合用到的是高压电机( 6 0 0 0 v 以上) ， 如油田高压注水泵、自来水厂高压注水泵、火力发电厂的引风机和吸风机，以及 其它污水处理高压水泵等，而且其使用量也越来越大。如果没有很好的调速方式， 不但严重浪费电能，而且还会对电网造成很大的谐波污染：我国高压( 6 0 0 0 v 以 上) 电机( 如风机、泵和压缩机等) 数量虽然只有低压( 6 0 0 0 v 以下) 电机的几 十分之一，但耗能却为低压电机的八倍【2 1 。寻求好的高压变频的实现方法应该说是 很有前景的研究方向。 第一章绪论 在国外，有很多公司都研制出了各自的高压变频器，比较著名的研究大功率 高压变频器的公司主要有德国西门子( s i e m e n s ) 、英国西枝莱克( c e g e l e c ) 、美国艾 伦一布拉德( a b ) 、美国洛宾康( r o b i n c o n ) 、同本东芝( t o s h i b a ) 、日本明电舍 ( m e i d e n ) 、瑞典a b b 等，他们的产品没有像低压变频器一样具有成熟一致的拓扑 结构，根据不同的状况开发出了不同的变频装置：洛宾康公司生产的完美无谐波 变频器，a b 公司生产的b u l l e t i o n l 5 5 7 和p o w e rf l e x 7 0 0 0 系列变频器，西门子公 司生产的s m o v e l 玎m v 变频器，a b b 公司生产的a c s l 0 0 0 系列，这些产品价 格昂贵，很难在国内大范围推广应用【3 1 【4 1 【5 1 。其中a b b 公司、西门子公司的产品 所使用的逆变电路就是本文即将论述的三电平逆变器。这些公司产品的电压等级 为3 1 0 k v ，容量2 5 叽4 0 0 0 k w 。 从国内高压变频领域研究的情况来看，可以说是刚刚起步。理论上看，目前 相关技术的研究论文较少，只是国外产品的简单应用，没有深入研究其原理和实 现细节。从生产实现的角度上来看，国内虽然已有先行、凯奇、利德华福等几家 公司已开始着手这方面的开发研究，而且各自都有自己的产品，但还远没有成熟 和形成规模。 从高压变频系统的应用角度，在国内相关部门已经取得了较成功的应用，并 得到了良好的节能效果。如燕山石化集团动力部采用高压变频器拖动2 2 0 千瓦水 泵电机以来【6 1 ，每r 可节电1 2 7 4 k w h ( 平均节电4 1 ) ，节水1 7 0 2 吨( 平均节水2 0 ) ， 全年可节电约4 6 万k w h ，节水约6 2 万吨。实际使用和测试结果表明，系统的功 率因数高，无需功率因数补偿设备，整机效率高，输出谐波低，调速范围大，启 动电流小，装置结构简单，可靠性高。又如，山东青岛市黄岛电厂1 9 9 9 年1 月7 月对一台8 0 0 k w 的6 0 0 0 k v 交流电机所安装的变频节能统计报告显示，从直接效益 分析，单台风机全年节电2 3 3 8 0 0 0 k w h 。此外，由于安装了变频调速系统，当转速 降低时，送风机叶轮磨损减轻了，这样还可以节约检修工时和材料费。而且由于 变频调速系统的软启动功能，电机的启动电流减少，对电机的启动冲击也减少了， 从而延长了电机的使用寿命。 但是，与国内广阔的市场前景相比较而言，高压变频器的使用还远没有普及。 据了解，到2 0 0 0 年底，我国高压电机装机容量为1 8 5 亿千瓦左右，而且根据中国 电气工业协会的统计数字，我国高压电动机的年生产量为5 0 0 万千瓦。一般来讲， 2 第一章绪论 高电压变频调速能够平均节能3 0 ，节约的能量相当于多建1 0 个3 0 万千瓦的电 站，可为国家节约电厂投资约2 0 0 亿元【7 】。因此，研制和开发出国产低价位的高压 变频调速系统需求非常迫切。 1 3 多电平逆变器的发展以及在高压变频调速中的应用 实现高压变频的关键之一是如何解决好单个功率元件耐压相对较低而所需变 频输出电压相对较高的问题，为此产生了三种常见的高压变频器结构：( 1 ) “高一低 - n ”结构，这种变频器又称间接高压变频器，需要两次经变压器进行电压变换， 德国s i e m e n s 、英国c e g e l e c 公司主要采用这种方式。这种结构的优点是可以利用 现有的低压变频技术来实现，因此价格低，但系统体积大、效率较低，谐波含量 较大。( 2 ) “高一高”结构的直接高压变频器，输出端不用经过变压器进行电压变换， 效率可达9 0 以上。美国的a b 、日本的m e i d e n 主要采用这种方式。这种结构的优 点是省去了占很大体积的变压器，但需加装谐波滤波器。( 3 ) 多重化方式，即由多 个低压功率单元串联叠加而达到高压输出。美国r o b i n c o n 采用这种方式。这种结 构对电网的谐波污染很小，效率高。 传统的逆变器电路主要有四种结构【8 】：( 1 ) 普通的三相逆变器，也称二电平逆 变器。它的结构简单，但为了获得大功率，必须靠元器件的串联来实现，而这带 来了串联器件动态均压和静态均压的问题，系统可靠性不高。( 2 ) 降压一普通变频 一升压电路，也就是前述的高一低一高方式。这种结构成本高，效率不高，虽然 控制简单，但性能不理想。( 3 ) 交一交变频电路。这种电路结构省去了普通三相逆 变器结构的中间直流环节，变换效率高，重量轻，体积小，但输出频率只能比输 入频率低，控制复杂，多用于低频场合。( 4 ) 变压器耦合的多脉冲逆变器。这种结 构把逆变桥串联起来，需要引入相应的变压器，占地面积大，成本和损耗高，且 由于瞬态变压器的磁饱和引起的直流磁化和浪涌过电压问题导致控制困难。 1 9 8 0 年，日本学者n a b a e 提出了带二极管筘位的三电平逆变器。这种又称为 中点箝位式( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ) 的逆变器在以往两电平逆变器的基础上，通 过箝位二极管箝位到中点，从而在正、负两种电平的基础上，加入了一个0 电平， 变成三电平，使得输出电压波形的正弦度提高，波形质量有所改善，并且功率开 关所承受的电压较二电平时减小了一半。这一发明，为高压变频用逆变器的研制 提供了一条新的思路。后来，又推出了飞跨电容式以及独立电源式的多电平拓扑， 第一章绪论 丰富了多电平系列，也大大推动了高压变频领域研究的发展。 1 4 本课题研究的内容 基于高压变频调速技术在电力拖动等领域的重大节能效果，以及多电平逆变 技术在高压大功率变频调速中的意义，本课题选择了多电平控制感应电机变频调 速系统这一课题。而为了便于开展原理方面的探究，选择了多电平逆变器中最基 础的一种拓扑二极管箝位式三电平逆变器。研究的内容和所做的工作主要有： ( 1 ) 多电平逆变器的各种典型的拓扑结构进行分析，比较各自的优缺点。对几 种典型的多电平逆变器控制策略的基本原理进行了综述，突出了空间电压矢量控 制策略的优点和应用前景。 ( 2 ) 以二极管箝位型三电平逆变器为研究对象，分析了三电平逆变器主电路的 拓扑结构和工作原理。并在定义逆变器开关函数概念的基础上，建立了三电平逆 变器的数学模型。 ( 3 ) 本文重点研究了三电平逆变器的s v p w m 控制策略，研究内容主要包括参考 电压矢量所在大扇区判断、所在小三角形区域判断、开关矢量作用时间计算、开 关矢量作用顺序及直流侧中点电位的平衡控制等。利用当前流行的电力电子学仿 真软件m a t l a b 对三电平逆变器的s v p w m 控制策略及相关问题进行了动态仿真，验 证了该方法的正确性和有效性 ( 4 ) 在一定实验条件下，工频电压，中小功率负载的情形下进行了所需硬件电 路的设计和相应的软件控制系统的设计，并作了相关的波形测试，与前仿真波形 相比较进一步证实了s v p w m 在三电平二极管箝位式逆变器中的有效性。 4 第二章多电甲逆变器的拓扑结构及其控制方式 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其控制方式 2 1 引言 1 9 7 7 年，德国学者h o l t z 首先提出了三电平的概念，并利用开关管来辅助中 点箝位得到了最初的三电平拓扑的变换器。在其基础上，1 9 8 0 年日本学者a n a b a e 等提出了二极管箝位式逆变器。后来又有学者推出了其它类型的多电平拓扑。 推究多电平的本质，都可以看成是通过有选择性的输出直流母线侧的n 个电 平，来达到类似正弦波的电压波形，电平数越多，正弦度越好。按照母线电压被 分隔方式的不同，逆变器的拓扑相应的也不同。归纳以往提出的多电平结构，主 要有以下三种【l o 】【1 2 】【1 3 】： ( 1 ) 二极管箝位式( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e li n v e r t e r ) ； ( 2 ) 飞跨电容( 电容箝位) 式( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r ) ； ( 3 ) 具有独立直流电源的级联式( c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rw i t hs e p a r a t ed c s o u r c e s ) 。 它们有一些共同的优点，如都适合于高压大容量场合，都具有e m i 程度低的特点， 效率都比较高等，但同时因为拓扑上的差异，使得它们都有一些各自的特性，下 面将分别介绍。 2 2 二极管箝位式多电平逆变器 二极管箝位型多电平逆变器是采用多个二极管相对应的开关器件进行箝位， 同时利用不同的开关组合输出所需的不同电平。n 电平的二极管箝位型多电平逆 变器在直流侧需要( n 一1 ) 个电容，能输出n 电平的相电压，( 2 n 一1 ) 电平的线电压。 图2 1 所示为二极管箝位型5 电平逆变电路的拓扑结构，它具有4 个电容，能输出 5 电平的相电压，9 电平的线电压。若直流侧的总电压为，那么每个电容上分得 的电压为4 ，通过箝位二极管的作用，每个开关器件的电压应力就限制在一个 电容的电压电平上。 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其控制方式 图2 - 1 单相5 电平二极管箝位逆变电路的拓扑结构 二极管箝位型多电平逆变器的优点归纳如下：电平数越多，输出电压和电流 就越接近正弦波，谐波含量就越少；由于没有两电平逆变器中同桥臂两个串联器 件的同时导通和同时关断问题，对器件的动态性能要求低，器件受到的电压应力 小，系统可靠性有所提高；在同样的开关频率下，谐波比两电平要低的多，因此 器件的开关损耗相对要小，系统效率高；由于电平数的增加，各级电平间的幅值 变化降低，低的d ，d ，对外围电路的干扰小，对电机的冲击小，在开关频率附近的 谐波幅值也小得多。 但这种电路拓扑也有如下缺点：随着电平数的增加，所需要的箝位二极管数 量也增加，电路拓扑结构变得更为复杂，对于一个n 电平逆变器，每一桥臂的箝 位二极管数为( n - 1 ) ( n - 2 ) 个；三电平电路输出零电平时电流要流经直流侧电容 中点，三相零序电流在中点是叠加的，此时流迸和流出的电流不相等会造成上下 电容充放电不均衡而使中点电位漂移，破坏输出电压和电流波形的正弦型；不同 管子开关时间不同，因而所需的额定电流也不相同，造成不同要求的额定电流， 开关器件容量上的设计会有所浪费，利用率低。 2 3 飞跨电容式多电平逆变器 飞跨电容式多电平逆变器是1 9 9 2 年由t a m e y n a r d 和h f o c h 提出来的，其单 6 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其控制方式 相拓扑结构如图2 2 所示。和二极管箝位式多电平逆变器相比，用电容取代了箝位 二极管，即通过电容来进行箝位。对与n 电平的逆变器来讲，每个电容所分担的 电压为吃( n - - 1 ) ，每相所需的电容数目为n ( n - - 1 ) 2，每相开关数目 为( 2 n 一2 ) 个。 图2 - 2 单相飞跨电容式5 电平逆变器电路拓扑结构 与二极管筘位式逆变器相比，它的开关选择更为灵活。在合成同一空间电压 矢量时有较多选择，以使直流侧电容电压保持均衡，从而对该种拓扑的逆变器控 制策略进行优化。但同时在省去大量二极管的同时，又引入了大量电容，使得系 统的体积和成本增加。其次，因为在输出同一电平时有不同开关组合，使得系统 的控制变得复杂。 2 4 独立电源式多电平逆变器 这种逆变器是以单相全桥逆变器为基本单元，每个单元配以独立的直流电源， 再由若干个基本单元级联起来形成其中一相，三相可以形成y 型或三角形连接。 其拓扑结构如图2 3 所示。 7 第_ 二章多电平逆变器的拓扑结构及j e 控制方式 图2 - 3 独立电源5 电平逆变器拓扑结构 对于n 电平的逆变器，每相需要( n 一1 ) 2 个模块，每个基本单元可以输出 2 ( n - - 2 ) ，0 和一2 ( n - - 2 ) 三种电平。( n - - 1 ) 2 个模块单元的级联共 需( n 1 ) 2 个独立的直流源，2 ( n 一1 ) 个开关。 这种拓扑的逆变器，它的最大特点就是每个基本单元都有一个独立的直流电 源，因此不存在上述两种多电平逆变器所固有的电容电压平衡问题，同时因为其 构成单元简单，所以控制方法也简单。这种拓扑以全桥变换器为基本单元，通过 级联的方式来输出多电平相电压。 2 5 多电平逆变器的控制策略 控制策略是确保多电平逆变器有序工作的保证，它指挥着逆变器系统始终按 照人们预定的目标去输出电压。总结以往多电平逆变器的控制策略，主要分为三 角载波p w m 法和空间电压矢量p w i v i 法( s v p w m ) 。 多电平逆变器基于载波的p w m 技术来源于两电平s p w i v i 技术，这里给出几 种具有代表性的方法。 2 5 1 消谐波p w m 方法( s h p w m ) n 叼 对于一个n 电平的逆变器每相采用n 1 个具有相同频率正和相同峰值彳。的 三角载波与一个频率为厶幅值为a 。的正弦波相比较，为了使n 一1 个三角载波所 第二章多电甲逆变器的拓扑结构及j 控制方式 占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且整个载波集对称分布于零参考的 j 下负两侧。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于某个三角波的 幅值，则开通相应的开关器件，反之，如果调制波的幅值小于某个三角波的幅值 则关断该器件。该方法的原理图如图2 4 所示： 图2 - 4 消谐波p 咖法原理图 2 5 2 开关频率优化p w m 方法( s f o p w m ) 伽 由j u r g e nk s t e i n k e 提出的s f o p w m 基本原理是在三相正弦调制波中注入了 一定的零序电压( 三次谐波电压) ，如图2 5 所示。和s h p w m 法相比，两者只是 在调制波上有所不同。设三相均衡参考电压分别为圪，圪，屹，叠加零序电压圪 后三相参考电压分别为，圪可，叠加方法为 圪可2 v o + v ,圪可2 k + 圪2 v 。+ v o 矿：一翌竺! 匕堡兰! 翌! 丛匕丝匕2 ” 2 s f o p w m 只适用于三相系统，因为在单相系统中注入零序分量将无法互相 抵消，从而在输出波形中造成三次谐波，而在三相系统中不会有这种问题。该方 法的优点是可以提高线性调制范围，其最大线性幅度调制比可以达到1 1 5 ，比 s h p w m 提高1 5 。 9 第二章多电平逆变器的拓扑结构及j 控制方式 图2 - 5 开关频翠优化p 哪法原理图 2 5 3 相移载波p u 方法n 刀 相移载波p w m 方法一般用在级联型多电平逆变器和飞跨电容型多电平逆变 器中。该方法的原理如图2 6 所示。对于一个n 电平变换器，每相采用n 1 个具 有相同频率疋和相同峰值彳。的三角载波与一个频率为厶幅值为a 。的正弦波相比 较，n 一1 个三角载波对称分布于零参考的正负两侧，而且三角波之间依次相移2 兀n l 。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于某个三角波的幅 值则关断该器件。由于相邻三角载波之间有一个相移，这一相移使得所产生的s p w m 脉冲在相位上错开，从而使最终迭加输出的s p w m 波形等效开关频率提高到原来的 n l 倍，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。 + 图2 - 6 相移载波p 删法原理图 2 5 4 空间电压矢量法( s v p w m ) 多电平空间电压矢量p w m 法( s p a c ev e c t o rp w m ) 是从二电平空间矢量p w m 法演化而来的，其基本思想和二电平的类似，都是由空间矢量所在区域的开关空 1 0 第二章多电甲逆变器的拓扑结构及j 控制方式 间矢量运用“伏秒积相等 的原则进行合成得到的。只不过在两电平中只有8 个 空间矢量，而在三电平中的空间矢量为2 7 个，更多电平的空间矢量则更多，成级 数增加。所以，合成某个空间矢量时可选择的矢量将更多，合成更自然，合成的 磁链轨迹更接近于圆，因而转矩脉动小，控制更精确，输出电压谐波更小。但由 于多电平逆变器所涉及到的空间电压矢量特别多，所以在合成矢量时计算量很大， 控制上也变得很复杂。怎样寻求一种简单、高效、快速的调制方法成了s v p w m 研究的热点。详细地论述将在以下章节进行。 2 6 本课题关于逆变器拓扑结构以及控制策略的选择 2 6 1 关于逆变器拓扑结构的选择 上述的三种多电平拓扑都具有适合于高电压大容量场合的优点，但在实现的时 候则需要考虑很多方面，如拓扑结构的简单性，实现的容易性以及成本高低等多 方面来考虑。从多电平逆变器拓扑结构上来讲，飞跨电容式具有电容较多的缺点， 并且由于高压场合的电容体积较大，当电平数增加时将变得难以忍受。独立直流 电源的级联式拓扑虽然比较简单，但需要多个独立直流电源，实现起来困难。相 对来说，二极管箝位式拓扑有它的优势： ( 1 ) 电路拓扑简单，同时由于筘位二极管体积较小，所以相对于飞跨电容式来讲易 于扩展到更多电平的逆变器当中去。 ( 2 ) 控制简单，易于用t i 公司的数字信号处理器( d s p ) ，m i c r o c h i p 公司的d s pi c 等芯片实现，而飞跨电容式由于开关模式的多样性使得数字实现困难。 ( 3 ) 相对于飞跨电容式大量的电容以及独立直流电源式所需的大量开关器件，二极 管箝位式拓扑成本较低。 综合以上几点，本课题选择二极管箝位式作为多电平逆变器的拓扑，同时由 于是原理性研究，所以以多电平当中最简单的一种三电平作为研究对象。今 后如有需要可以扩展到更多电平的逆变器。 2 6 2 逆变器控制方式的选择 从前面关于多电平逆变器控制策略的叙述知道，有三角载波法，和空间电压 矢量法等控制方法。就目前而言，国内外对于多电平逆变器的控制策略的研究主 要集中在空间电压矢量p w m 法上，原因在于这种方法具有较大的优势n 8 2 3 | ；在大范 围的调制比内具有很好的性能：无需其它控制方法所需存储的大量角度数据；母 第二章多电平逆变器的拓扑结构及其控制方法 线电压利用率高，电流纹波小；合成灵活，开关频率较低等。因此，本课题采用 空间电压矢量调制法作为逆变器的控制策略。 2 7 本章小结 本章主要介绍了多电平逆变器三种主要的拓扑结构：二极管箝位式，飞跨电 容式和具有独立直流电源的级联式，分析了它们各自的工作模式以及特点，同时 还介绍了用于多电平逆变器的控制策略。最后，在分析这三种拓扑以及各种控制 策略的优缺点的基础上，选择二极管筘位式三电平逆变器作为本课题实验研究的 对象。后面章节将介绍本课题的研究情况，包括电路构成和控制策略。以下先介 绍二极管箝位式三电平逆变器主电路和空间电压矢量控制( s v p w m ) 原理。 1 2 第二三章三电甲逆变器主电路及s v p w m 基本原理 第三章三电平逆变器主电路及s v p w m 基本原理 3 1 引言 多电平逆变技术最初的出发点是通过对逆变器的主电路结构进行改进，使得逆 变器的所有开关器件都工作在基频或基频以下，以达到降低功率器件开关频率、 减少开关应力、减小输出电压谐波含量等目的，提高整个功率变换系统的效率。 但因多电平逆变器所需要的各种功率器件较多，所以从提高产品性价比角度考虑， 更适合应用于高压大功率场合。 理论上，逆变器的电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶数越多，从而更接 近正弦波，谐波含量越小。但在实际应用中，由于受到硬件条件和控制电路复杂 性的制约，在综合考虑系统性能指标的情况下，三电平逆变器最为普遍，对其进 行研究和分析更有实际意义。 3 2 三电平逆变器的主电路结构及其工作原理 所谓三电平是指逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧有三种取值，正端 电压( + 2 ) 、负端电压( 一2 ) 、中点零电压( 0 ) 。二极管箝位型三电平逆变器主 电路结构如图2 1 所示。逆变器每一相需要4 个i g b t 开关管、4 个续流二极管、2 个箝位二极管；整个三相逆变器直流侧由两个电容c 、c ：串联起来来支撑并均衡 直流侧电压，c ，= c ：。通过一定的开关逻辑控制，交流侧产生三种电平的相电压， 在输出端合成正弦波。 3 1 三电平逆变器主电路图 第三章二三电甲逆变器主电路及s v p w m 基本坂理 与传统两电平拓扑结构相比较，三电平拓扑结构优点显著：每个开关器件承 受的电压值相当于原来直流电压的一半，波形质量得到了改善并有效地降低了开 关频率；其电压上升率d ，d , 比两电平逆变器降低一半，电流上升率d 。d , 也得到 减小，在交流调速中能够降低电机的绝缘性能要求；输出电平数增多，从而每个 电平幅值相对降低，电压变化减小，电流脉动减小，同时降低电磁干扰；吸收电 路的体积也可有所减小。 3 2 1 三电平逆变器的工作原理 以输出电压a 相为例，分析图3 1 所示三电平逆变器主电路工作原理，并假设 器件为理想器件，不计其导通管压降。定义负载电流由逆变器流向电机或其它负 载时的方向为正方向。 ( 1 ) 当s 。i 、s 。2 导通，s 。，、s 。关断时，若负载电流为正方向，则电源对电容c 。充 电，电流从p 点流过主开关& ，、s 。：，该相输出端电位等同于p 点电位，输出电 压u = + 2 ；若负载电流为负方向，则电流流过与主开关管s 。、既：反并联的续 流二极管对电容c 充电，电流注入p 点，该相输出端电位仍然等同于p 点电位， 输出电压u = + 2 。通常标识为所谓的“1 ”状态，如图3 - 2 所示 图3 - 2 单相“1 ”状态 a 1 4 第三章二三电甲逆变器主电路及s v p w m 基本原理 ( 2 ) 当s 。2 、s 。，导通，s 。、s 。关断时，若负载电流为正方向，则电源对电容c ，充 电，电流从0 点顺序流过箝位二极管见。主开关管& ：，该相输出端电位等同与0 点电位，输出电压u = 0 ；若负载电流为负方向，则电流顺序流过主开关管s 。，和 箝位二极管d 口：，电流注入o 点，该相输出端电位等同于0 点电位，输出电压u = 0 ， 电源对电容c ，充电。即通常标识的“0 状态，如图3 3 所示。 + a 图3 - 3 单相“0 ”状态 ( 3 ) 当s 。，、s 。导通，s 口l 、s 。2 关断时，若负载电流为j 下方向，则电流从n 点流过与 主开关s 。，、& 。反并联的续流二极管对电容c ：进行充电，该相输出端电位等同于 n 点电位，输出电压u = 一2 ；若负载电流为负方向，则电源对电容c ：充电， 电流流过主开关管s 。，、s 。注入n 点，该相输出端电位仍然等同于n 点电位，输 出电压u = 一2 。通常标识为“一1 ”状态，如图3 - 4 所示。 第三章三电甲逆变器主电路及s v p w m 基本原理 a 图3 - 4 单相“一l ”状态 3 2 2 三电平逆变器工作状态间的转换 相邻状态之间转换时有一定的时间间隔，称之为死区时间( d e a dt i m e ) ，即从 “1 ”到“0 的过程是：先关断s 口l ，当一段死区时间后s 。截止，然后再开通s 。，： 从“0 到“一l ”的过程是：先关断s 。：，当一段死区时间后& ：截止，再开通s 。 “一1 ”到“0 以及“0 ”到“l ”的转换与上述类似。 如果在s 。没有完全被关断时就开通s 。，则s 口i 、瓦：、s 。，串联直通，从而直 流母线高压直接加在s 。上，导致s 。毁坏。所以在开关器件的触发控制上，一定 的死区时间间隔是必要的。 同时需要注意的是，这三种状态间的转换只能在“l 与“o ”以及“0 ”与“一 l 之间进行。决不允许在“1 ”与“一1 之间直接转换，否则在死区时间里，一 相四个开关容易同时连通，从而将直流母线短接，后果十分严重。同时，这样操 作也会增加开关次数，导致开关损耗的增加。所以，“1 ”和“一l ”之间的转换必 须以“o ”为过渡。 1 6 第三章三电平逆变器主电路及s v p w m 堆奉原理 3 3 空间电压矢量( s v p w m ) 控制基本原理 3 3 1 引言 2 0 世纪7 0 年代，德国学者f e l i xb l a s c h k e 等人提出了交流电机矢量控制原理： 通过矢量变换，将原来强耦合的三相交流电机系统转化成等效的两相直流系统， 在两相坐标系中对电机进行调速控制，从而使控制方法大大简化。由于上述控制 方法和交流电机的模型并没有本质上的联系，因此可将这种思想移植到三相非电 机负载的所有逆变电路的控制策略中，将三相的电压一同考虑，并在两相系统中 进行控制，这种控制方法被称之为空间电压矢量控制。它是从电动机的角度出发， 着眼于如何使负载获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。其转换效果是把三相 的瞬时电压合成为一个矢量来表示。 s v p w l v 控制策略原理是用逆变器每个开关周期内输出的三相脉冲电压合成 空间电压矢量，与期望输出的三相正弦波电压合成的空间矢量等效，即模相等而 其幅角按照与脉冲频率有关的一定时间间隔均匀跳变，即用平均角速度去逼近期 望的基准圆空间旋转角速度，由它们比较的结果决定逆变器的开关，形成p w m 波 形。这个被跟踪的基准电压矢量也称为参考电压矢量。由于在电压一定时，三相 正弦电压的合成空间矢量的模是一个常量，这样给控制带来很大的方便。同时， 由于采用过多的开关矢量会使得逆变器开关动作频率过高，损耗加大。为了降低 开关频率和系统损耗，采用与参考电压矢量最接近的三个开关矢量。 三电平空间电压矢量控制是从二电平演化而来，其基本原理和二电平一样， 都是根据“伏秒”积相等的原理，用空间电压矢量所在区域的开关矢量来合成当 前时刻的电压矢量。下面首先推导三电平逆变器空间电压矢量分布图 3 3 2s v p w m 的状态分布图 根据空间电压矢量原理，利用c l a r k 坐标变换法，在口一复平面内定义三电 ，i 2 t r 平逆变器的参考电压矢量：v r = 詈( + 口+ 口2 ) 其中口= p 。在口一平 j 面坐标系中3 电平逆变器2 7 组开关状态所对应的空间矢量呈对称分布，如图3 5 所示。从图中可以看出，同一电压矢量对应不同开关状态，越往内层，对应的冗 余开关状态越多。实际上2 7 组开关状态只对应着1 9 个空间矢量，这些矢量被称 1 7 第三章三电平逆变器主电路及s v p w m 基本原理 为三电平逆变器的基本空间电压矢量，简称基本矢量。这1 9 个基本矢量分为大矢 量、中矢量、小矢量和零矢量4 类： ( 1 ) 大矢量：k ，“。k ，k 。k ，巧。共6 个 ( 2 ) 中矢量：巧蚝巧u 。k k ： 共6 个 ( 3 ) 小矢量：k 蚝圪圪圪 共6 对，其中，又把 1 0 0 、 11 0 、 0 1 0 、 0 1 1 、 0 0 1 和 1 0 1 等不含“一1 ”状态的矢量称为正小矢量， 把 0 1 1 、 0o 一1 、 一1o 1 、 一100 、 一1 一l0 和 0 一l0 等不含“l 状态的矢量称为负小矢量； ( 4 ) 零矢量：将平面划分成1 2 个3 0 0 的区域。箭头代表了它们在口一平面内 的位置，不同长度代表了他们的模长，分别为i 2 、牟屹、丢、0 。箭头处括 333 号内的数字代表该基本矢量对应的逆变器开关状态 c 图3 - 5 三电平逆变器空间矢量分布图 a 第三章三电平逆变器主电路及s v p w m 皋本原理 3 3 3s v p w m 的公式及计算 多电平空间矢量p w m 法的基本原理说明如下，由于空间矢量图的对称性，只 要分析6 0 0 区域即可。如图3 5 中i 区域、巧，、k 。构成的大三角形内又可分出 a 、b 、c 、d 等4 个小三角形，当参考矢量以一定角速度旋转落在某个小三角形 内，为得到相应频率的正弦输出电压和减小输出电压的谐波含量，就用组成该三 角形的3 个矢量合成该参考矢量，具体计算公式如下：圪f ，+ 0 f ，+ 圪，：= r ( 伏 秒积相等原理) 式中，、f y 、，：分别为圪、屹在一个采样周期内的持续时间， t 为采样周期： v , 4 g 。) ( ，0 ) 图3 - 6 扇区i 的空间矢量分布图 k ， 。) 形为参考电压矢量。当参考矢量l 顶点位于小三角形a 内时，就用组成三角形a 顶点的3 个矢量、k 、来合成参考矢量，并遵循以下关系： 。t o + t l + t 2 = t ( 3 1 ) 1 v 0 t o + v l t l + v 2 t 2 q t 。1 1 9 第三章三电平逆变器主电路及s v p w m 基本原理 ( 3 2 一a ) 同理可得参考矢量落在b 、c 、d 区域时各矢量的作用时间 亿2 爰确n c 和一丁 f 7 = t 一一t 2 ( 3 2 b ) ( 3 2 c ) ( 3 2 d ) 当空间矢量落在第n ( n = i i ，i i i ，i v ，v ，v i ) 扇区的时候，只需将对应区域的角 印 p 使3 n m 一 i 。： e 二： r o 爰老一 羲一 = = 万一3 伊 呱 m 一 蓟 澎爰 一 一 = l l 势秘一 第三章三电i l z 逆变器主电路及s v p w m 幕奉原理 度秒用p 一( 一1 ) x 3 代入即可计算得到。 计算出开关矢量的作用时间后，下面的工作就是按开关矢量的作用顺序以及各时 间点，从而得到逆变器三相的p w m 波形。 3 3 4s v p w m 作用顺序的确定 本文试图归纳s v p w m 控制策略所应达到的要求。 ( 1 ) 逆变器应按照规律动作。逆变器有“l ”、“0 ”和“一1 ”三种工作状态，见 表3 1 。而这三种状态之间的转换只能是从“1 到“o ”( 或从“o 到“1 ”) ，“o ” 到“一l ”( 或“一l 到“o ) ，不允许有“1 ”和“一l 之间的直接转换。 表3 1 二极管箝位式三电平逆变器的工作状态 s is 2s 3s 4 状态